MR流體是將鐵等磁性顆粒分散到油等分散介質中的流體，在車輛的制動器和減震器以及機器人的致動器等機械控制領域備受期待。不過，以往的MR流體存在由于分散在介質中的磁性顆粒容易沉淀，長時間使用的話，會造成裝置損壞或工作不穩(wěn)定等問題。日前，日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）與早稻田大學和日本立邦控股公司共同開發(fā)出了長期儲藏也不會沉淀的高穩(wěn)定性磁流變液（MR流體），即使靜置半年也不會分離，而且可以對外部磁場發(fā)揮高應力。

據(jù)介紹，此次開發(fā)的MR流體，通過將具有抑制磁性顆粒沉淀的側鏈聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物應用于分散介質，同時添加直徑為20——300nm的納米顆粒。

圖1：新開發(fā)的MR流體（左）和以往的MR流體（右）的沉淀分離狀態(tài)比較（180天后）

MR流體是什么？

磁流變液（Magnetorheological Fluid ， 簡稱MR流體）屬可控流體，是智能材料中研究較為活躍的一支。MR流體是將鐵等磁性顆粒分散到油等分散介質中的流體，具有從外部施加磁場后粘度會發(fā)生變化的特性（圖2）。

圖2：MR流體的工作原理。通過施加外部磁場，可控制磁性顆粒的排列，改變流體的粘度

由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強度與磁場強度具有穩(wěn)定的對應關系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。目前，磁流變液已經開始應用于研磨（拋光）工藝、閥門和密封、家庭健身器、機械手的抓持機構、裝配車間不規(guī)則形體的依托架、以及自動化儀表、機器人的傳感器和采礦、印刷等行業(yè)。在其眾多應用領域當中，研究最多、發(fā)展最快的應用領域是汽車座位減振器、剎車器、主動驅動器以及土模機構減振器。

以往的MR流體存在的課題是，磁性顆粒尺寸相對較大，達到數(shù)十μm，儲存幾個月后，磁性顆粒就會在分散介質中沉淀，由此會造成裝置損壞和工作不穩(wěn)定等。另一方面，為抑制沉淀，也開發(fā)了采用尺寸僅數(shù)十——數(shù)百nm的小磁性顆粒的MR流體，但由于磁性顆粒尺寸較小，輸出也變小，而且微顆粒本身的材料成本較高，就費用而言很難用于普通的工業(yè)用途。

此次開發(fā)的MR流體以能發(fā)揮大應力的數(shù)μ——50μm直徑大磁性顆粒為主要成分，并將具有可抑制磁性顆粒沉淀的側鏈聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物應用于分散介質，同時添加直徑為20——300nm的納米顆粒，由此即使靜置半年也不會沉淀，而且能對外部磁場發(fā)揮高應力。

創(chuàng)新：開發(fā)出高穩(wěn)定性磁流變液此次開發(fā)的MR流體的特征是，將具有抑制大磁性顆粒沉淀的側鏈聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物（圖3）應用于分散介質的同時，又在其中添加并分散了一定數(shù)量的尺寸比磁性顆粒?。?0——300nm）的納米顆粒（圖4）。利用聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物和微納米顆粒，可抑制大磁性顆粒的沉淀。

一般來說，MR流體對應外部磁場產生的應力與分散的磁性顆粒濃度成正比。但磁性顆粒的濃度達到一定程度以上后，顆粒容易聚集，流體的分散性會顯著降低。相反，要想實現(xiàn)平穩(wěn)的輸出，需要降低磁性顆粒的濃度，但濃度低的話又容易沉淀。此次開發(fā)的MR流體解決了這些課題，不但實現(xiàn)大輸出范圍，還具有高穩(wěn)定性（圖5）。

圖5：輸出范圍—穩(wěn)定性（抑制沉淀分離）

另外，對于外部磁場（磁通密度），可在與以往的產品一樣成比例發(fā)揮應力的同時，產生較高的最大輸出（圖6）。

圖6：MR流體的磁粘彈性變化（以往產品與新開發(fā)品的比較 30mT——1.5T）

未來展望

NEDO、早稻田大學和日本立邦控股將利用開發(fā)的MR流體，繼續(xù)共同開發(fā)機器人用柔性致動器。

另外，日本立邦控股將利用此前在涂料領域積累的顏料等微顆粒的分散方法和穩(wěn)定化技術，推進面向工業(yè)機械優(yōu)化的新MR流體的商品化開發(fā)，進一步開拓應用領域（圖7）。

圖7：MR流體的用途示例。

通過控制外部磁場，可對MR流體進行各種運動控制，比如剪切應力、流動和壓縮力等，因此正研究應用于旋轉、制動、減速器、水壓液壓致動器及隔震減震器等。

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